1.本发明属于地热能技术领域，具体涉及一种中深层地热能用高效换热器。
背景技术：2.地热能作为清洁能源的一种，地热能是源于地球内部的熔融岩浆和放射性物质的衰变，并以热力形式存在岩石中的可再生清洁能源。以其清洁环保、储量大、可再生的优点越来越受人们的青睐。目前应用在清洁采暖方面的中深层地热能供热技术相对成熟，但仍存在开发利用成本高，换热环节热损大，系统稳定性差、持续取热能力低等问题，这些都限制了中深层地热能的开发利用。
3.究其原因，集中在换热器上，现有的同轴套管换热器结构均为固定同径形式，虽可进行取热，但取热效果不理想，主要是因为换热器中下行换热介质热量散失大；上下行换热介质流态全程不变，换热速率同取热速率不匹配；无蓄热能力，持续取热能力差；以上几个方面的综合原因导致单孔中深层地热能的取热量低、经济性差、性价比低。
4.基于以上背景技术中的原因，研发人员提出了一种中深层地热能用高效换热器。
技术实现要素：5.本发明的目的在于提供一种中深层地热能用高效换热器，以解决换热器开发利用成本高，换热环节热损大，系统稳定性差、持续取热能力低的问题。
6.为了解决以上问题，本发明技术方案为：一种中深层地热能用高效换热器，包括外管、中心管、控流分液器，控流分液器设在中心管上；中心管同轴设在外管中，外管分为上中下三段，自上而下依次为保温管、转换管、换热管，转换管容积为圆台状。
7.保温管和换热管之间的管径比为0.4-0.9。
8.保温管和换热管之间的管长比为0.04-0.4。
9.保温管距地面埋深a≥100米。
10.保温管内壁设有隔热层。用于隔离换热介质下行时热量同保温管发生热传导，减少系统热损失。
11.转换管朝向中心管的一侧设有翅片。便于局部改变换热介质流态，过渡至换热管，增强热交换。
12.保温管和转换管管外设有保温层。保证热量不散失到保温管外岩土体中。
13.保温管连接有进口；中心管连接有出口。
14.外管、中心管、控流分液器均设在地面以下的地坑中，地坑距地面2500cm-3000cm。有利于换热器安装及管道连接，不影响地面使用功能。
15.本发明的有益效果如下：（1）本发明在原有直上直下的内外管结构基础上，将外管结构拆分成三段，分段改变了换热介质运行流态，提高了单井取热量；具体说是：上保温管长度在地下百米深以上，
外保温内隔热，向下流体在较为狭窄的环管中以较大流速通过，阻止保温管中的换热介质与管外岩土体之间发生热交换，最大程度的降低热损失；经倾斜设置的转换管进入大口径环形换热空间中，流速降低，尽量延长换热介质在下行过程中热交换的时间，使其同管外高温岩石充分进行换热；同时口径增大使得热交换面积增大，提高了换热量能力；即换热介质在转换管段与换热管段中，用较低的流速和大的换热面积实现与地热能在地层增温段最大程度的热交换，直至运动至中心管底部上行。
16.也就是说，换热介质快速通过上保温管段，减少了热量损失；在主要发生热交换的换热管段中，换热介质流速大大降低，延长了热交换时间，换热量增大；换热面积增大，提高了换热能力；保温管段外设保温层、内设隔热层，使得保温管不同外部发生热交换；即使上行、下行流体之间发生热交换，也仅仅是在保温管内部，热量无损失；下换热管段换热介质体积容量远大于上保温管段体积容量，下换热管段蓄热能力大大增强，系统持续取热能力增强；从这几方面综合实现地热能最高效的利用。
17.（2）本发明控流分液器结构简单，灵活控制进出流量，进出流量匹配更加合理；根据取热量的不同，调整保温管和换热管之间的管径比和长度比，使得取热、换热更加均衡稳定；保温管内设隔热层、外设保温层，降低了热损失；整体增强了换热器的换热效果、减少了热损失，提高了换热效率；使得取热更加持续稳定，取热效率高，降低了地热能单位开发利用成本，经济效果显著。
附图说明
18.图1为一种中深层地热能用高效换热器的结构示意图；图2为一种中深层地热能用高效换热器的工作状态示意图；图3为一种中深层地热能用高效换热器中控流分液器的结构示意图。
19.附图标记如下：1-换热管；11-进口；2-中心管；21-出口；3-控流分液器；4-保温管；5-转换管；51-翅片；6-保温层；61-隔热层；7-地坑。
具体实施方式
20.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
21.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
实施例
22.如图1-3所示，一种中深层地热能用高效换热器，整体设在地面以下，顶部设检查孔7，检查孔7距地面2500cm~3000cm，有利于换热器安装及管道连接，不影响地面使用功能。
23.该高效换热器包括外管、中心管2、控流分液器3，中心管2同轴设在外管中，控流分液器3设在中心管2上方，控流分液器3同中心管2、保温管4连通；外管分为上中下三段，自上
而下依次为保温管4、转换管5、换热管1。
24.具体的：保温管4和换热管1之间的管径比为0.4-0.9；该管径比根据换热介质流态要求、管材规格及换热器经济性总能够和计算得出。
25.保温管4和换热管1之间的管长比为0.04-0.4；该管长比根据各地地温增温率的不同，换热器的换热、蓄热能力及经济性综合计算而得出。换热管1长度宜在1000-2500米之间，保温管4长度宜在100-400米之间，故保温管4和换热管1管长比为0.04-0.4。具体长度在此区间根据地热情况选择。
26.保温管4距地面埋深a≥100米。该数据是根据地热增温率原理，由地表向下依次为变温层、恒温层及增温层，进入增温层我国大陆平均深度约为60米，100米深处温度约为20℃左右，保温管4设置大于等于100米是为保证换热介质下行时热量尽可能的不散失到外部岩土体中。
27.保温管4管内壁设有隔热层61。隔离换热介质下行时热量同保温管4发生热传导，减少保温管4段热损失。保温管4和转换管5管外均设有保温层6。保证热量不散失到保温管4外岩土体中。
28.保温管4连接有进口11；中心管2连接有出口21。
29.转换管5朝向中心管2的一侧设有翅片51。局部改变换热介质流态，过渡至换热管1，增强热交换。
30.作业时：换热介质从进口11进入保温管4、经转换管5下行至换热管1换热，在隔热层61和保温层6的作用下，热量不损失；换热介质在换热管1中持续换热、蓄热，最终沿中心管2上行，经出口21进入供热系统。
31.在整个过程中，控流分液器3按需求控制进出流量。
技术特征：1.一种中深层地热能用高效换热器，包括外管、中心管（2）、控流分液器（3），所述中心管（2）同轴设在外管中，所述控流分液器（3）设在中心管（2）上；其特征在于：所述外管分为上中下三段，自上而下依次为保温管（4）、转换管（5）、换热管（1），所述转换管容积为圆台状。2.如权利要求1所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述保温管（4）和换热管（1）之间的管径比为0.4-0.9。3.如权利要求2所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述保温管（4）和换热管（1）之间的管长比为0.04-0.4。4.如权利要求3所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述保温管（4）距地面埋深a≥100米。5.如权利要求1-4任一项所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述保温管（4）内壁设有隔热层（61）。6.如权利要求5所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述转换管（5）朝向中心管（2）的一侧设有翅片（51）。7.如权利要求6所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述保温管（4）和转换管（5）管外设有保温层（6）。8.如权利要求1所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述保温管（4）连接有进口（11）；所述中心管（2）连接有出口（21）。9.如权利要求1所述的一种中深层地热能用高效换热器，其特征在于：所述外管、中心管（2）、控流分液器（3）均设在地面以下的地坑（7）中，所述地坑（7）距地面2500cm-3000cm。
技术总结本发明公开了一种中深层地热能用高效换热器，属于地热技术领域，以解决换热器开发利用成本高，换热环节热损大，系统稳定性差、持续取热能力低的问题。换热器包括外管、中心管、控流分液器，控流分液器设在中心管上；中心管同轴设在外管中，外管分为上中下三段，自上而下依次为保温管、转换管、换热管，转换管容积为圆台状。本发明在原有直上直下的内外管结构基础上，将外管结构拆分成三段，改变了换热介质运行流态，提高单井取热量；上保温管外保温内隔热，向下流体以较大流速通过，阻止换热介质与管外岩土体间发生热交换，降低热损失；在转换管段与换热管段，通过改变换热介质流态特性和增大换热面积实现与地热能在地层增温段最大程度的热交换。程度的热交换。程度的热交换。
技术研发人员：邵继新 王晓龙 魏国平 龚荣虎 胡广涛 张建堂 马立全 刘芮汐 金瑜 张羽白 胡永权
受保护的技术使用者：甘肃省建材科研设计院有限责任公司
技术研发日：2022.04.20
技术公布日：2022/7/5
